Valguse neeldumine

Valguse neeldumine on protsess, mille tulemusena valguslaine kaotab osa oma kiirgusenergiast. Valguse läbimisel ainest kulub osa energiast aine koostisosade võnkuma panemiseks. See võnkumisenergia võib muutuda uuesti sama sagedusega valguseks, madalama sagedusega kiirguseks või soojusenergiaks.^[1]

Erinevad füüsikalised kehad neelavad valgust erineval määral. Absoluutselt must keha neelab kogu talle pealelangeva valguse, valge keha aga neelab vaid väikese osa talle langevast valgusest, ülejäänud valgus peegeldub tagasi. Kui tegemist on läbipaistva kehaga, siis valgus läbib seda ilma märkimisväärse neeldumiseta. Neeldunud kiirgusenergia muutub tavaliselt soojusenergiaks. Näiteks päikesevalguse käes olevad tumedad esemed lähevad kiiremini soojaks kui heledad, sest neeldunud kiirgusenergia hulk ajaühikus on erinev.

Neeldumine määrab ka aine värvuse. Inimsilmale nähtav valgus jääb vahemikku 390–700 nm. Kui aine neelab kõiki neid lainepikkusi ühtemoodi ja vähesel määral, siis paistab see meile valgena. Kui aga kõiki lainepikkusi peale punase neelatakse tugevalt, siis paistab aine meile punasena. Nendele lainepikkustele vastavad värvid, mida aine ei neela, ongi aine värvuseks.

Klassikaline füüsika kirjeldab neeldumist lähtuvalt dipoolide võnkumisest. Valguse levikul aines hakkavad seal olevad elektronid valguse elektrivälja mõjul võnkuma ning aatomid ja molekulid saavad ajas muutuva dipoolmomendi. Need dipoolid kiirgavad omakorda sekundaarlaineid ning valguse levik aines on seletatav sekundaarlainete interferentsina. Elektronide võnkumine ei toimu vabalt, vaid esineb ka hõõre. Hõõrdumisjõudude ületamiseks kaotab dipool energiat ning tekkinud sekundaarlaine on nõrgem. Algse valguslaine energia väheneb ning aine saab juurde soojusenergia. Valguse energia vähenemist nimetatakse neeldumiseks.^[2]

Kui vaadata neeldumist elektroni ning üksiku valguse osakese ehk footoni tasandil, siis saab protsessi kirjeldada järgmiselt. Kui footon satub ainesse, mis koosneb tavaliselt ioonidest, aatomitest ning molekulidest, siis võidakse ta neelata sõltuvalt tema energiast. Aine koostises olevatel elektronidel on kindlad energiatasemed, millel nad saavad viibida. Tavaliselt on elektronid kõige madalamal energiatasemel ning liiguvad kõrgematele tasemetele vaid juhul, kui miski sunnib neid sinna minema. Footoni neeldumine leiab aset, kui leidub elektron, mille alg- ning lõppoleku energiate vahe vastab footoni energiale.^[3] Kui selliseid footoni energiale vastavaid elektronide energiatasemete paare ei leidu, siis neeldumist ei toimu ning aine on valgusele läbipaistev.^[4] Artikli alguses on juttu valgusest, mis koosneb paljudest erineva energiatasemega footonitest. Selline valgus (näiteks Päikese valgus) on pidevspektriga ja selle neeldumisel võib rääkida valguse osalisest neeldumisest. Kui aga valgust vaadelda ühe footoni kujulisena, siis selline kindla lainepikkusega ja energiaga valgus neeldub alati täielikult. Kehtib energia jäävuse seadus ja energia on footonitel vaid kindlate, diskreetsete suurustena - kvantidena. See kvant antakse elektronile. Kvandi neeldumine kas toimub või mitte. Vahepealsed osalised võimalused puuduvad. Selles mõttes võib kvante võrrelda naturaalarvudega.

Bouguer-Lamberti seadus kirjeldab valguse neeldumist homogeenses keskkonnas paksusega ${\displaystyle x}$ ja neeldumisteguriga ${\displaystyle \alpha }$ :

${\displaystyle I(x)=I_{0}e^{-\alpha x},}$

Pealelangeva valguse intensiivsus ${\displaystyle I_{0}}$ nõrgeneb ainetüki paksuse kasvades eksponentsiaalselt. Intensiivsuse vähenemise kiiruse määrab ainele iseloomulik neeldumistegur ${\displaystyle \alpha }$. Neeldumistegur sõltub omakorda kiirguse lainepikkusest. Tasub silmas pidada, et antud valem kehtib vaid juhul, kui tegemist on tavapäraste valgustugevustega. Suurte intensiivsuste juures neeldumine küllastub ning antud seos enam ei kehti.^[1]

Neeldumistegur näitab, mitu korda väheneb valguse intensiivsus ainetüki ühikulise kihi läbimisel. Neeldumistegur on aine enese karakteristik, mis ei sõltu ainetüki suurusest ega kujust. Neeldumistegur sõltub ainest ning uuritava valguse lainepikkusest.^[1]

Väikese neeldumisteguriga aine neelab valgust vähe ning piisavalt õhukese tüki korral on aine valgusele läbipaistev. Nähtava valguse jaoks on sellised materjalid näiteks klaas, vesi ning paljud gaasilises olekus ained. Sarnaselt suure neeldumisteguriga ained neelavad kogu valguse juba väikese paksuse korral. Sellised ained on näiteks metallid.

Neeldumisspekroskoopia on spektroskoopia liik, mis põhineb neeldumisspektri mõõtmisel. Neeldumisspektriks on neeldumisteguri sõltuvus kiirguse lainepikkusest või sagedusest.^[1] Neeldumisspektri määrab aine atomaarne ja molekulaarne struktuur. Neeldumisjooned tekivad lainepikkustel, millele vastavad energiad eksisteerivad ka uuritava aine aatomite või molekulide kvantseisundite vahel. Neeldumisjoonte teket mõjutab ka aine kristallstruktuur.^[5]

Neeldumisspektrit on võimalik mõõta, kui asetada valgusallika ette uuritav proov ning seejärel detektori abil registreerida erinevate lainepikkuste intensiivsused. Hiljem mõõdetakse sama valgusallika spekter ilma katseobjektita. Saadud spektrite abil on võimalik arvutada neeldumisspekter.

Kirjeldatud meetodiga on mugav määrata lahustunud ainete kontsentratsiooni. Vajalik on teada lahustunud aine neelamisvõime ning seejärel saab Beeri seadusest määrata selle kontsentratsiooni.^[1]

Kui kiirgavas keskkonnas (näiteks plasmas) kiirgab aatom footoni, siis on võimalik, et mõni teine aatom neelab selle ning kiiratud footon ainest ei välju. Footoni neeldumine on tõenäoline, kuna läheduses on samasugused aatomid, mis kiirgavad sama sagedusega footoneid. Nende aatomite elektronidel on energiatasemed, mis vastavad footoni energiale ning toimub omaneeldumine.

Mida rohkem on kiirgavaid aatomeid, seda suurem on tõenäosus, et toimub omaneeldumine. Selle tulemusena pole aine kontsentratsioon ja kiiratud valguse intensiivsus lineaarses sõltuvuses. Spektrijoonte puhul avaldub omaneeldumise efekt, kui joone intensiivsus on madalam ning joon ise on kahe küüruga.^[6]

Neeldumisel põhinevad valgusfiltrid koosnevad tavaliselt klaasist ning lisanditest, mis neelavad valgust teatud lainepikkuste vahemikus. Valgusfiltrit läbinud valgus ei sisalda enam lisandite poolt neelatud lainepikkusi ning on teist värvi.

Lisaks neeldumisele kasutatake valgusfiltrite valmistamiseks ka interferentsi nähtust.

Prilliklaasid ei neela valgust nähtavas piirkonnas, tagades selge vaatevälja. Küll aga neelavad prilliklaasid valgust UV piirkonnas, mis on silma võrkkestale kahjulik.

Keevitusel kasutatavad kaitsemaskid kaitsevad lisaks UV-kiirgusele ka liigse valgusintensiivsuse eest. Kaitseklaas on valmistatud kindlate lisandite ning paksusega, mis kaitseb silmi, kuid samas võimaldab ka piisaval määral läbi vaadata.

Inimese nahka saab kaitsta liigse UV-kiirguse eest, kasutades päikesekreemi. Päikesekreemid sisaldavad keemilisi ühendeid, mis neelavad nahale kahjulikku UV-kiirgust. Nendeks ühenditeks on näiteks TiO₂ või ZnO.^[7]

Erinevatel ainetel on neile iseloomulikud neeldumisjooned. Kui mõõta neeldumisspekter, siis saab selle alusel kindlaks teha katseobjekti koostise. Näiteks on võimalik uurida, mil määral sisaldab õhk või joogivesi saasteaineid.

Kasvuhoone on valmistatud materjalist, mis laseb hästi valgust läbi ehk neeldumist ei toimu. Kui valgus langeb aluspinnale, siis toimub tugev neeldumine ning kiirgusenergia muundub soojusenergiaks. Kuna kasvuhoone seinad ja katus takistavad soojuse levikut, siis lõpptulemuseks on temperatuuri kasv.